Металлообрабатывающие станки
УДК. 621.9
Конспект лекций по дисциплине " Металлообрабатывающие станки" для студентов специальности 6.090203 "Металлорежущие станки и системы" дневной и заочной форм обучения. Часть 1./ А.Б. Воеводин. Мариуполь: ПГТУ, 2010. – 80 с.
Автор: А.Б. Воеводин к.т.н., доцент
Ответственный за выпуск: С.С. Самотугин д.т.н., проф
Комп. набор и верстка А.В. Коншин, зав.лаб. САПР
Содержание
Исторический обзор развития обработки металлов резанием.. 3
История. 10
Основные задачи дисциплины.. 23
Рекомендуемые материалы
Исторический обзор развития обработки металлов резанием
Резание материалов как трудовой процесс – одно из древнейших ремесел человека, сыгравшее важнейшую роль в развитии человеческого общества. Такое исключительное положение резания обусловлено тем , что для других работ человек мог применить подобранные , а не изготовленные предметы : камни для раскалывания костей и твердых плодов ; дубины из берцовых костей животных. Пожалуй , на этом можно остановиться – это и все , что можно подобрать с земли . Все остальное необходимо изготовить , а для изготовления хотя бы примитивного копья необходим какой никакой инструмент .Первым инструментом наших предков были острые осколки костей , которыми они разделывали добычу . Исследуя стоянки прачеловека , профессор Роберт Дарт описал последовательность изготовления костяного инструмента: от трубчатых костей травоядных млекопитающихся отделялись головки , а полученные трубки с проксимального конца расщеплялись при помощи лопаток , рогов , нижних челюстей и т . п . Иногда части костей ломали руками – получались характерные спиралевидные осколки , из которых делали спиралевидные ножи и даже … ложки для извлечения мозга из черепа добычи . Эта технология освещает настолько важный этап в развитии человека , что Дарт пришел к выводу об открытии им костяного века и предложил особое название: osteodontokeratic culture – “культура кости, зубов и рогов”.
Исключительное положение инструмента обусловлено тем , что он не является окончательным продуктом – его используют для изготовления продукта . Таким образом , инструмент является не предметом труда , а средством труда .
Существенным недостатком костяных орудий труда является их быстрая затупляемость . Упрочняя лезвие , прачеловек снимал с лезвия последовательный ряд чешуек, добиваясь аналогии с зубным рядом , но решением проблемы был переход к изготовлению орудий из камня .
Древнейшим каменным инструментом около миллиона лет ; их возникновение относят к эпохе палеолита , когда прачеловек стал применять простейшие орудия ( вначале найденные, а затем специально им изготовленные ) для разделки туш животных , разрезания сухожилий , обработки шкур . Эти простейшие орудия , кстати , совсем не так уж и просты для их изготовления необходимо было подобрать подходящий желвак кремня и , нажимая на него в определенном месте и под определенным углом , сколоть с него ножевидную пластину . Полученный таким образом нож был настолько же острым , насколько и хрупким : им можно было резать , но нельзя было рубить . За многие тысячелетия использования каменных орудий труда их форма и технология изготовления неустанно совершенствовались. Для рубки нож упрочняли – его лезвие обрабатывали ретушью – мелкими фасетками сколов, тесно примыкающих один к другому. Лезвие намеренно притупляли, но зато делали его более прочным и долговечным .
Кроме ножей, из камня изготавливались скребла ( скребки ), которыми резали и распиливали, выскабливали и выравнивали дерево и кость, вырезали узоры. Для каждого вида работ использовали скребки определенной формы.
Примерно IV – III тысяч лет до н. э. арсенал методов резания расширяется- его пополнило сверление. О том, что человек научился сверлить, свидетельствуют остатки древнейших ожерелий: просверленные у основания клыки, мелкие ракушки с отверстием по центру, каменные бусинки. Как появилось сверление неизвестно: то ли добывая огонь при помощи вращаемой ладонями палочки, человек обратил внимание на образующее углубление, то ли “ прокручивая” отверстие человек обратил внимание на выделяющее тепло…
На сверление следует обратить внимание еще и потому, что для этого процесса кроме инструмента применялось еще и специальное приспособление- пучок: изогнутую ветку, концы которой стянуты шнурком- тетивой, при помощи которого приводили во вращение инструмент. Это приспособление можно считать прообразом первого сверлильного станка и первого станка вообще.
Существенным недостатком орудий из камня является их хрупкость, ограничивающая срок их использования и твердость, увеличивающая срок изготовления , недостатком кости является невозможность обеспечить остроту лезвия. Древний человек пытался совместить достоинства известных ему материалов, изготавливая комбинированные орудия. В узкие глубокие канавки, пропиленные вдоль края костяного орудия вставлялись тонкие ножевидные пластины, закрепленные клеем: такое орудие совмещало прочность костяной основы с остротой каменного лезвия.
Изделия, оружие и инструменты из камня, дерева и кости многие тысячелетия исправно служили человеку, но расширение деятельности человека требовало иных материалов.
Новый материал, открытый примерно V I- II тысячелетия назад, дал название целой эпохе. Речь идет о первых знакомых человеку металлах: меди, олове и их сплаве- бронзе. Бронза отмечена тем, что если медь человек мог найти в готовом к употреблению виде ( в виде самородков), то бронзу приходилось изготавливать специально, подбирая и выдерживая пропорции исходного сырья.
Металлы быстро нашли применение в практике человека, поскольку имели то,чего не имели ни дерево, ни камень – высокую прочность. К сожалению, орудия из меди и ее сплавов на ее основе значительно уступали каменным по твердости и остроте. Появление металлов привнесло новые методы обработки – литье и ковку. К сожалению,новые методы оказались не универсальными: дерево и камень нельзя было ни лить ни ковать.Зато старые методы нашли применение для обработки новых материалов: металлические предметы можно рубить, пилить, сверлить и шлифовать.
Применение новых материалов для изготовления инструментов позволило повысить интенсивность труда: металлический инструмент способен выдерживать большие усилия и большие скорости. Большие, чем каменный и деревянный, большие, чем способен развить человек. В дополнение к уже давно использующемуся приспособлению для сверления, пришлось выдумывать приспособления для строгания и точения.
Примерно в первом тысячелетии до нашей эры появился лучковый станок: обрабатываемая заготовка приводилась в возвратно- вращательное движение бечевкой, намотанной на заготовку,( укрепленную в центрах) и прикрепленную к упругой ветви дерева, а позднее – к тетиве лука. Один рабочий тянул веревку, а другой держал резец. При обработке мелких деталей, рабочий одной рукой держал резец, а другой а другой – вращал заготовку.
Использование в качестве привода станка мускульной силы самого мастера ограничивало нагрузку на инструмент. Тем не менее, в ряде случаев и эта нагрузка была способна повредить лезвие, например, при рубке дерева. Был необходим материал, который сочетал бы твердость и остроту камня с прочностью и обрабатываемостью бронзы. Таким материалом стало железо, открытое около 2 в. до н. э.
Изготовленные из железа инструменты выдерживали значительно большие нагрузки. Это привело к появлению станков, для привода которых использовалась мускульная сила нескольких человек, животных или падающей воды. Приблизительно в XIII веке усовершенствовался лучковый привод токарного станка – у него появился ножной привод: свободный конец бечевки прикрепили к педали, что позволило токарю держать инструмент обеими руками.
В XVII веке в конструкцию станка вошел маховик, инерция вращения которого исключила холостое вращение заготовки. В XVIII веке педаль соединили с коленчатым валом и маховиком ( подобно приводу швейной машинки). Тому, что мускульный привод станков продержался так долго, есть веская причина – до середины XVIII века основным используемым в технике и строительстве материалов было дерево: изготовленные из дерева станки обрабатывали деревянные заготовки.
Исключение составляло военное дело: применение пороха вынуждало использовать металлические стволы. Большие усилия, сопровождающие выстрел орудия, вынуждали делать металлическими механизмы крепления и наведения ствола. На токарных станках обрабатывалось все больше и больше металлических деталей: в первую очередь это было растачивание стволов и изготовление металлических винтов. Нужды армии – концентрации людей – вынудили к концентрации производства. Уже в XV веке в Москве был построен литейно – пушечный завод –“пушечная изба”, производящими бронзовые отливки, а в XVII веке была создана “ ствольная мельница”, предназначенная для обработки резанием пушечных стволов. Развитие технических средств, в том числе и станков для обработки материалов, сдерживало отсутствие мощных и ненадежных источников энергии. Приводной шкив вращали люди, животные, водяные колеса и крылья ветряков. Водяные колеса применяли еще в Древнем Египте, но сведения об их использовании в качестве привода станков относятся к XVI веку. Использование природных сил в качестве привода технических средств послужило одной из причин разделения труда: такие устройства необходимо размещать там, где есть условия, обеспечивающие функционирование устройства, а не там , где удобно жить человеку. Ветряк ставят на ветру, плавильню – возле руды и топлива, но хлеб выращивают не в лесу и не на буераках. В результате одни – производят пищу, а другие – обеспечивают первых необходимыми им орудиями труда. Появляются специализированные, узконаправленные производства, вырабатываются четкие технологии. Правда в условиях кустарно – ремесленного производства специализация поверхностна: производится товар, а не полуфабрикат. Каждый мастер - ремесленник должен был знать всю технологию изготовления изделия и уметь выполнять все операции. Повышение эффективности производства требовало изменения формы организации труда.
Эти изменения произошли прежде всего в производстве оружия: уже в XVII веке возникают крупные оружейные заводы (“оружейные мельницы”), где для изготовления ружей, пушек и пушечных ядер применяют токарные и сверлильные станки. Но самое главное – изготовлением изделия перестает заниматься один мастер: технология разделяется на отдельные операции. В начале XVIII века на Тульском оружейном заводе в изготовлении ружья участвовали 13 специалистов: ствольщики ( заварщики, отдельщики, расточники ствола, которые прикрепляли к стволам ушки, прицел и ремни, насечники декоративного орнамента); замочники ( заготовщики, сборщики, отделочники, ковщики присадчики), изготовители и точильщики штыков, ложевые мастера и сборщики всех частей ружья. В то же время в других отраслях производства в общем - то мало что изменилось: кустарные промыслы вполне обходились прежними методами. С другой стороны – новые методы были им просто не по карману.
Ситуация изменилась, когда на смену ремесленному производству пришло мануфактурное. Вытеснению цеховой формы организации производства и распространению мануфактур способствовало то, что неспециализированный труд не может быть высокопроизводительным. Мануфактуры были более эффективными благодаря тому, что вся технология изготовления разбита на ряд операций, каждую из которых выполняет отдельный рабочий – специалист по данному делу. Устаревшая форма организации труда была вытеснена более доходной. Но, по большей мере, труд продолжал оставаться ручным: на том же Тульском оружейном заводе в начале XVIII века лишь 10% от всех рабочих завода работали на станках, применяемых для обточки и расточки стволов, обработки штыков и штыковых трубок. Станки того времени были простыми, режущий инструмент удерживался, главным образом, руками рабочего, что требовало больших усилий и большого мастерства.
Специализация труда требовала специализации инструмента; развивались и устройства для его крепления. Подлинной революцией в истории промышленности можно считать изобретение”царским токарем”- личным токарем царя Петра I – изобретателем-самоучкой Андреем Константиновичем Нартовым( 1693- 1756) устройства для закрепления и перемещения токарного резца – суппорта. В 1712 году он установил такое устройство на своей очередной “махине” – токарно-копировальном станке. Позже Нартов построил целый ряд станков, содержащих механизмы, ставшие прообразом устройств современных станков: в 1738 году Нартов построил токарно-винторезный станок с набором сменных зубчатых колес и приводом суппорта от винтовой пары.
Применение суппорта позволило обрабатывать материал с недостижимыми прежде силой, скоростью и точностью. Изобретение А.К. Нартова важно тем, что впервые механическое приспособление заменяло не орудие труда- механизм заменил человеческую руку. И эта замена оказалась очень удачной: рука самого опытного рабочего неспособна работать с такой точностью и силой.
Талантливые русские механики ( в основном самоучки) создали целый ряд оригинальных станков: солдат Яков Батищев создал станки для одновременной обработки 12 и 24 ружейных стволов. Механики – самоучки Лев Собакин, Алексей Сурнин, Павел Захава и многие другие создали множество новых для того времени типов особенно в области обработки деталей огнестрельного оружия. М.В. Ломоносов создал станок для обработки металлических сферических зеркал ( для телескопов).
Дальнейшая специализация привела к тому, что произошло разделение процесса производства на простейшие операции, настолько простые, что для их осуществления стало возможным применение простейших машин.
Машинное производство оказалось настолько выгодным, что машины стали вытеснять из сферы производства людей: стало выгодней вкладывать деньги в производство новых, более производительных машин.
Создание ткацких, швейных, деревообрабатывающих , бумагоделательные, типографских и многих других машин было невозможно без высокоэффективных орудий изготовления технических средств стали необходимы машины для производства других машин. Стали возникать и развиваться машины для различных видов обработки металла: литьевые, ковочные, штамповочные, металлорежущие.
Но прежде всего, для высокопроизводительных машин потребовался эффективный источник энергии, каким и стала паровая машина. Изобретение паровой машины не было случайностью –это была крайне необходимо для ресурсо - добывающей промышленности Англии, в первую очередь –угольной. Истощение залежей угля в верхних горизонтах потребовало углубления шахт, а это сильно затрудняла необходимость откачки воды. И если первые опыты применения пара в вертушке Герона или для открывания ворот древнего храма так и остались опытами, то паровые насосы сразу нашли широкое применение, способствуя техническому развитию Англии, Франции и Германии. В России промышленному использованию пара препятствовали дешевый рабский труд и богатейшие природные ресурсы: с истощением поверхностных залежей в Туле, металлургия переместилась на Урал, где к тому же, огромные леса истреблялись для выжигания древесного угля, что было дешевле добывания “горючкамня” – каменного угля.
Итак, потребность европейских стран в источнике энергии способствовало быстрому развитию машиностроения и опережающему развитию станкостроения. В это период повторно “открываются” многие прежние изобретения: новая вещь возникает лишь в ответ на потребности в ней, в новой функции и в тот момент, когда “созревают” условия. Так произошло и с паровой турбиной, и с самоходным суппортом А. Нартова – в 1960 году его повторно изобрел англичанин А. Модслей. Конструкция суппорта совершенствовалась, и в 1972 году был опубликован чертеж крестового суппорта(с взаимно перпендикулярным движением инструмента), основные элементы конструкции которого используются в настоящее время.
Таким образом, появление паровой машины потребовало обеспечение беспрецедентной
до тех пор точности изготовления больших металлических цилиндров, поршней, штоков, валов и других деталей. Вот тут-то и подвели старые методы обработки: они оказались неспособными обеспечить нужную точность.
Вот так известный английский мастер Рейнольдс описал процесс обработки цилиндра паровой машины Ньюмена. “Сегодня мы, наконец, с успехом закончили обработку цилиндра. Как мы это сделали, пожалуй, стоит рассказать. После того, как цилиндр был прочно установлен на двух скрепленных деревянных балках во дворе мастерской, в него была залита свинцовая масса весом около 200 фунтов(80кг). К концам получившейся свинцовой колоды прикрепляли по железной штанге с приложенными к ним веревками с каждой стороны колоды; в эти веревки впрягли по шесть сильных и ловких рабочих. Затем в цилиндр залили масло с наждаком и начали расшлифовку, протягивая колоду взад и вперед. Так, затрачивая большие усилия, работая с большим напряжением, мы достигли такой степени точности обработки, что наибольший диаметр цилиндра отличается от наименьшего на величину меньшую, чем толщина моего мизинца. Это достижение- большая радость для меня. Ведь оно- лучшее из всего, что мы до сих пор слышали об успехах в области точной обработки машин”.
Но такая”точность” обработки для новых машин оказалось недостаточной; в первых паровых машинах для уменьшения зазора между цилиндром и поршнем использовали гипс, кожу, дерево и другие непрочные и быстроизнашивающиеся материалы. Вот это и породило вторую проблему обработки материалов: новые машины потребовали применение деталей из все более и более прочных, твердых и износостойких материалов, для обработки которых необходимы инструменты из еще более прочных и твердых материалов.
Третьей проблемой стало то, что человеческие руки перестали удерживать инструмент: появление суппорта позволило увеличить толщину стружки и скорость резания- и опять режущий инструмент оказался слабым звеном. Инструменты из закаленной углеродистой стали могли работать только при очень низкой скорости резания, несмотря на то, что детали первых машин изготовлялись из материалов, легко поддающихся обработке: серого чугуна, пудлингового железа, латуни и бронзы. Так для растачивания и подрезки торца одного из больших цилиндров машины Уатта требовалось 27, 5 рабочих дня.
Но решение проблем, порожденных разделением труда, заключалось именно в разделении труда: изготовление инструмента стало выделяться в отдельное производство. Начались поиски новых видов и форм режущего инструмента, специальных материалов, пригодных для изготовления качественного инструмента, но для этого потребовалось тщательно изучить явления, в первую очередь- тепловые, сопровождающие процесс резания материалов.
Появление паровых машин повлекло за собой создание и развитие станкостроения- в целом эта отрасль была создана за двести пятьдесят лет- к 1860 году были решены основные проблемы обработки деталей из существующих в то время материалов. Но для конструирования новых станков также необходимо было знать характеристики процесса резания. В этом случае большой интерес представляет определение сил резания, создающих нагрузки, испытываемые узлами и деталями станка в процессе его работы.
Состояние науки того времени не давало подробного представления о таких процессах, поэтому потребовалось проведение экспериментальных исследований, обобщение результатов которых впоследствии привело к возникновению науки о резании металлов.
История
В развитии науки о резании материалов можно выделить три периода.
Возникновение этой науки совпадает с общим развитием горнорудного дела, металлургии машиностроения, возникновением пароходного и железнодорожного сообщения.
Первым научным изложением основ резания материалов можно считать труд француза Шарля Птомье “Искусство резания”. Гениальный механик- самоучка А. К. Нартов в первой книге по машиностроению “ Театрум махинарум или Ясное зрелище машин”обобщил опыт того времени (включая собственный) конструирования, технологии изготовления и эксплуатации инструментов ,станков и других машин.
В 1790 г. Было в России организовано производство станков на заводе Берда.
В 1848 году капитан французской артиллерии Кокилья исследовал работу сверла на токарном станке. В 1864 году Жесселен ( Франция) изучал работу токарного резца.
К 1860 г. были в основном решены проблемы обработки цилиндрических и плоских поверхностей, резьб, канавок, пазов и отверстий разнообразной формы деталей из существующих в то время материалов.
Наибольшие трудности возникают при обработке тел вращения, поэтому токарные станки совершенствуются быстрее станков других типов. В первой половине XIXвека конструкция токарного станка окончательно сложилась: последующие усовершенствования не меняют его конструктивной сути. С некоторым отставанием развиваются строгальные, сверлильные, фрезерные, зуборезные и другие станки.
Станкостроение становится отдельной отраслью промышленности и основой промышленного переворота в промышленно развитых странах. Созданы достаточно жесткие токарные, поперечно – строгательные, фрезерные и сверлильные станки и механические пилы, которые обеспечивали обработку деталей с достаточной точностью и производительностью.
В 1850 – 1870 гг. начинается развитие станкостроение в России: открываются станкостроительные заводы, принадлежавшие в основном иностранцам ( заводы Нобеля, Брамлея, и другие).Кроме того станки в небольших количествах изготовлялись и на заводах другого профиля. Так, на основанном в 1862 г. в Одессе заводе акционерного общества Беллино – Федерикс, помимо судового оборудования, изготавливали и металлорежущие станки нескольких типов.
Большинство технологического оборудования, в том числе и станков, заводилось из- за рубежа, главным образом из Германии; станки собственного производства составляли в России к началу ХХ века 0.83% станочного парка.
Серьезные научные исследования процесса резания провел на Луганском литейном заводе профессор Санкт-Петербуржского горного института Иван Августевич Тиме, опубликовавший в 1870 году книгу “Сопротивление металла и дерева резанию”, а в 1877 году – “Мемуары о строгании металлов”. В своих работах И.А. Тиме поставил и решил коренные вопросы теории резания – о сопротивлении резанию, о процессе стружкообразования и др. Он впервые исследовал деформации стружки при резании, разработал методы измерения силы резания и предложил формулы для ее вычисления. Тиме рассмотрел процесс резания как ряд последовательных скалываний отдельных элементов стружки, ввел понятие плоскости скалывания и угла скалывания, а также дал классификацию видов стружки.
В 1876 году академик А. В. Гадолин ( 1828 – 1892) опубликовал работу “О переменах скоростей вращения шпинделей в токарных и сверлильных станках”, в которой была изложена теория резания, принятая станкостроителями всего мира как наиболее рациональная, обеспечивающая наименьшее отступление фактической скорости резания от желаемой. Эта работа закладывала основы теории станкостроения.
Журнал “The Engineer” 13апреля 1883 года поместил статью, посвященную прошедшей в институте инженеров- механиков дискуссии, на которой В.Ф. Смит сообщил об опыте использования инструментов из отбеленного чугуна.
В 1890 -1892 гг. профессор кафедры механической технологии Харьковского политехнического института Константин Алексеевич Зворыкин ( 1861 – 1928) сконструировал гидравлический динамометр для измерения усилий резания непосредственно на резце и решил в математической форме задачу об условиях, определяющих минимальное значение силы резания. Зворыкин теоретически определил положение плоскости сдвига вывел уравнение для подсчета силы резания и экспериментально установил влияние размеров стружки на удельную силу резания. Зворыкин также провел теоретические изыскания, развивавшие основные положения, выдвинутыеТиме. Путем экспериментов он установил влияние толщины снимаемого слоя и угла резания на удельное давления резания и доказал, что расход работы на отделение единицы веса стружки зависит от величины параметров стружки. Зворыкин теоретическим путем определил положение плоскости скалывания. Результаты его исследования были опубликованы в 1893 г. в труде “Усилия и работа, необходимые для отделения металлических стружек” Примерно 50 лет спустя- в 1943 г. профессор Мерчант ( США) опубликовал теорию резания, аналогичную теории профессора Зворыкина, без ссылки на его труды.
В 1896 году была опубликована работа преподавателя Михайловской артиллерийской академии капитана А.А. Брикса “Резание металлов ( строгание)”, в которой он дал глубокий анализ работ отечественных и зарубежных исследователей и сделал первые попытки их обобщения. Бриккс уточнил терминологию, принятую в резании и систематизировал понятия, придав теории резания стройный вид. Бриксу принадлежит уточнение и введение таких терминов, как “режущая кромка”, “передняя поверхность”, “угол заострения резца”, “передняя поверхность”и другие, которые утвердились и сохранились до наших дней.
В 1900-1910 гг. проф. Н. Н. Савин ( Петербургский политехнический) сконструировал динамометры для определения сил резания и произвел ряд опытов по оптимизации геометрии резцов.
Особого внимания заслуживают работы мастера механических мастерских Санкт- Петербургского политического института Я. Г. Усачева ( 1873-1941). Он впервые применил метод металлографии ( микрофотографии) к изучению процесса стружкообразования, также впервые применил термопару при измерении температуры резания, опередив в этом немецких(Куррейн) и английских( Герберт) исследователей на 10 лет. Им установлено явление наклепа при резании металлов и дано научное объяснение явления нароста. Основные результаты его исследований опубликованы в 1915 году в работе “Явления, происходящие при резании металлов” В этом труде Усачев изложил результаты опытов по изучению процессов образования стружки, по изучению тепловых явлений процесса резания ( что послужило основой стойкостных исследований) и по образованию нароста на резце. Усачев установил переодичность колебаний усилия резания металлов, сопровождающуюся колебаниями температуры, что вызывается периодической сменой образующейся на резце в процессе резания застойной зоны.
Отечественных исследователей И. А. Тиме, К. А. Зворыкина, А.А. Брикса и Я.Г. Усачева можно назвать основоположниками науки о резании металлов, однако широкое практическое применение научных результатов сдерживала неразвитость промышленности царской России.
Американский инженер Ф. Тейлор, являясь представителем ученых –эмпириков, рассматривающих резание металлов не как науку, а как ремесло, эмпирически изучал влияние между скоростью, стойкостью и другими параметрами режима резания. Тем не менее, при вычислении режимов резания, мы до сих пор пользуемся эмпирическими таблицами и зависимостями. Но особую нелюбовь коммунистических идеологов заслужила его работа “Управление предприятием”: изложенную в не систему научной организации труда, которую В. И. Ленин оценил как пытку или кунштюк, что, впрочем, не помешало в тридцатые годы применить элементы НОТ в виде стахановского движения.
В 1914 – 1917 гг. вся промышленность России была оснащена примерно 90-100 тыс. единицами металлорежущих станков, из которых станки отечественного производства составляли лишь 20%. Станкостроение в России особенно бурно стало развиваться с началом первой мировой войны, ростом военной промышленности и прекращением поставок из Германии. Но производство станков осуществлялось лишь на 40 предприятиях, 30 из которых были полукустарными мастерскими с численностью рабочих 40 – 100 человек.
В 1925 г. А.Н. Челюскин опубликовал труд под названием “Влияние размеров стружки на усилие резания металлов”, содержащий критический анализ литературы по резанию металлов и результаты большого количества опытов в мастерских Ленинградского политехнического института и Ленинградского военно – механического института. В частности, Челюскин доработал формулу К.А. Зворыкина: уточнил показатель степени при значении подачи и учел влияние угла резания, угла в плане и др. Время публикации работы не случайно: она вышла в период восстановления разрушенного революцией и гражданской войной хозяйства страны.
Началом второго этапа развития обработки резанием и станкостроения можно считать принятие в декабре 1925 г. XIV съездом ВКП(б) плана индустриализации страны, предусматривавшего, в частности, превращение отсталой станкостроительной отрасли в мощную базу развития машиностроения.
В 1926 году была создана первая промышленная лаборатория по исследованию инструментов во всесоюзной конторе Оргметалл, в 1928 году – Московское отделение института металлов, преобразованное в 1930 году в научно-исследовательский институт машиностроения и металлообработки (НИИМАШ). В 1931 году из этого института выделился институт станков и инструментов (НИСТИ), который в следующем году был преобразован в экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС).
Бурный рост станкостроения начинается незаметно: уже в 1927 г. было выпущено 28 типоразмеров МРС, но это были пока тихоходные малопроизводительные станки с приводом от трансмиссии.
В начале периода восстановления промышленности, в машиностроении пользовались весьма низкими режимами резания, рекомендуемыми немецкими справочниками. В 1927 – 1930 гг. бюро нормативов (проф. А.В. Панкин, канд. техн. наук С.Д. Тишин и др.) Государственного института проектирования машиностроительных заводов (Гипромаш) разработало и издало до 20 справочников, рекомендовавших более высокие режимы резания, проверенные опытным путем и стоявшие на уровне американских норм.
С 1933 г. начинают работать научно-исследовательские институты, занимающиеся вопросами изучения процесса резания металлов. Вместе с этим начали вести исследования крупные лаборатории резания металлов на горьковском автомобильном, московском им. Лихачева и других заводах: исследовались силы резания, скорости резания, износ режущего инструмента, температура резания.
В этот период и позднее во втузах СССР из курса “Технология металлов” выделились отдельные курсы “Резания металлов”. Одним из первых учебников, по которым воспитывались многие советские инженеры – технологи были ученики профессора В.А. Кривоухова “Обработка металлов резанием” (1931 г.) и учебник профессора Глебова С.Ф. В это же время вышли первые учебники по обработке резанием на украинском языке профессора Рудника С.С. и Резникова Н.И.
В период с 1931 по 1934 гг. развертываются работы заводских лабораторий резания Сталинградского тракторного завода, автомобильных заводов в Москве и Горьком. Как ни многочисленны были работы по режимам резания в этот период, они все же не удовлетворяли требованиям быстрорастущей промышленности. В этот период был создан первый твердый сплав “победит”.
В 1932 году вводится в действие Московский станкостроительный завод им. Серго Орджоникидзе; в 1934 г. –завод станкоконструкции; в 1935 г. завод им. Кирова в Тбилиси и завод зуборезных станков в Саратове; в 1936 г. – завод станкоавтоматов им. Горького в г. Киеве; в 1939 г. –завод тяжелых станков в г. Краматорске. Технологическое оборудование этих заводов, которое также составляли МРС и другие машины, в основном было отечественного производства.
В 1934 г. на XVII cъезде ВКП(б) была поставлена задача выпуска 200 типоразмеров станков, которые могли бы стать базой комплексной реконструкции народного хозяйства. Уже в 1940 г. в СССР выпускалось 202 типоразмера универсальных и специальных станков; среди них автоматы и полуавтоматы, зубообрабатывающие, шлифовальные, револьверные и прочие современные станки для всех типов производств, включая массовое.
Третий этап развития станков и инструментов совпадает по времени с окончанием организационного периода и развернувшимся в 1935 году стране стахановским движением, опрокинувшим старые, тормозившие развитие техники, нормативы. В этот же период на смену инструментам из быстрорежущих сталей пришли твердосплавные – “ победитовые, а в промышленность пришли станки с индивидуальным промышленным электроприводом( переход на индивидуальный привод был завершен к 1937 году).
На этой промышленной базе возникло движение рабочих-новаторов по внедрению в промышленность высокопроизводительной обработки – коростного резания: скорости резания были увеличены в 2-3 раза и более. Большая заслуга в этом принадлежит новаторам производства: Р.С. Борткевичу, Н. Б. Быкову, В.Д. Дрокину, В.А.Колесову, И.Д.Леонову, Г. С. Нежевенко, Д. И. Рыжкову, В. К. Семинскому и др.
На заводах и в научно- исследовательских институтах были созданы десятки лабораторий резания. Для пересмотра нормативов была создана Комиссия по резанию металлов под председательством д-ра технических наук Е.П. Надеинской, под руководством которой период с 1937 по 1950 года развернулась такая большая исследовательская работа, в области обработки металлов резанием, которая по своим результатам составляет целую эпоху.
Под руководством комиссии в течении пяти лет были проведены экспериментальные исследования процесса резания для всех видов режущего инструмента и по всем основным металлам, применяемым в машиностроении. Исследованию подверглись инструменты из быстрорежущей стали, из сталезаменителей, а также оснащенные твердыми сплавами. На основании произведенных экспериментов число которых превысило 120 тысяч были установлены силовые и стойкостные зависимости для всех основных видов режущего инструмента и обрабатываемых материалов. Был разработан метод резания твердосплавными резцами с отрицательными передними углами, который в последствие был назван “скоростным” резанием, а также методы эксплуатации режущего инструмента и станков при высоких скоростях резания.
В результате работы Комиссии был издан ряд новых справочников по новым, передовым режимам резания и прогрессивным конструкциям инструментов и приспособлений, основой которых явились исследования лабораторий, втузов и заводов.
Эти работы явились единственными в мире как по разнообразию применяемых инструментов и обрабатываемых материалов, так и по методике их проведения и целеустремленности. Результаты отдельных исследований были сопоставимы, так как все исследования проводились по единому плану и общей методике. В этот период под руководством комиссии по резанию металлов совместно со специалистами смежных отраслей наук изучались также физические основы резания металлов.
Кроме этих работ практического характера, проводились работы и по глубокому изучению физических явлений, сопутствующих процессу резания. Вышли в свет многие монографии советских ученых, обобщающие результаты обширных экспериментальных и теоретических материалов и освещающие широкий круг вопросов, касающихся резания металлов.
В годы Великой Отечественной войны эвакуированные заводы станков Европейской части страны успешно работали на Урале и в Сибири, обеспечивая страну необходимыми станками. В эти годы было создано много специализированных МРС для нужд оборонной промышленности. Эвакуированные заводы являлись базой послевоенного развития станкостроения на востоке страны. В эти годы вступили в строй станкостроительные заводы в Новосибирске и во многих других городах. Также была проделана большая работа по специализации заводов и конструкторских бюро.
Творческое содружество работников науки и практики как одна из основ развития советской передовой науки и техники дало исключительные результаты, сказавшиеся, во-первых, в том, что не только в лабораторных условиях резание металлов осуществляется с скоростями более 500 м/ мин, и, во-вторых в том, что начали успешно обрабатывать и труднообрабатываемые металлы, включая и закаленные стали. Значительное развитие теории процесса образовании стружки и деформаций, происходящих в процессе резания, получила в работах профессора Клушина М. И., опубликовавшего в 1944 г. труд “Физические основы процесса резания”, профессора Глебова С. Ф. –“Механизм пластической деформации при резании стали”( 1949 г). В 1950 г. профессор Исаев А. И. опубликовал результаты исследования поверхностного слоя при обработке металлов резанием. Профессором Розенбергом А. М. в 1949 -56 г. и профессором Бобровым В.Ф. в 1962-85 г. проведены широкие исследования процесса косоугольного резания и влияния геометрических параметров инструмента на процесс деформирования металла. Профессором Грановским Г. И. создан новый раздел в теории резания металлов и режущих инструментов – кинематика резания. Представляет большой интерес предложенная им классификация возможных кинематических схем резания и методика их исследования( 1958 г.). Выбору оптимальных геометрических параметров режущей части инструментов посвящены работы профессора Ларина М. Н.(1951-53гг.).
Член- корреспондент Академии наук СССР В. Д. Кузнецов первый показал возможность построения физической теории резания металлов и изучил резание как процесс пластической деформации. Кузнецов получил теоретическую формулу для расчета усилии резания в зависимости от условного предела текучести при сжатии, площади сечения среза, продольной усадки стружки и показателя политропы сжатия. Необходимо отметить большие исследования в области процесса образования стружки, проведенные профессором А. М . Розенбергом.
До 1940 г. преобладали, главным образом, экспериментальные исследования по установлению температуры и теплового баланса при резании металлов. Основные работы по исследованию температуры резания металлов методом естественной термопары выполнены профессором Резниковым Н.И., Даниеляном А.М., Аваковым А.А. С 1940 по 1955 появились первые попытки решить задачу о температуре резания классическими методами математической физики. В последние 10-15 лет проведено большое количество исследований, посвященных теории теплообмена в зоне резания математическими методами современной теплофизики. Продолжается совершенствование методов измерения температуры, в частности методов, предназначенных для изучения температурных полей в детали, инструменте и стружки. Под влиянием фундаментальных работ член – корреспондента АН СССР Рыкалина Н.Н.(1947-1955 гг.) начал применяться метод источников тепла для математического описания теплообмена при резании металлов. Анализ закономерностей изменения температуры стружки, возникающей под действием сил трения с учетом неравномерного распределения этих сил был впервые выполнен профессором А.Н. Резниковым(1965 г.). В Куйбышевском политехническом институте разработан (1956 г.) метод бегущих термопар, обеспечивающие практический тур на контактных поверхностях инструмента. Исследование износа и стойкости инструмента посвящены работы многих исследователей, из которых следует отметить профессора Авакова А.А., Ларина М.Н., Панкина А. В. и других. Основные исследования природы механизма износа, проведенные после 1950 г., позволили значительно углубить знания в этой области. Вопросам диффузионных явлений в процессе износа режущего инструмента посвящены работы профессора Лопадзе Т. Н. Радиоактивный метод исследования износа инструмента наиболее полно рассмотрен профессором Казаковым Н.Ф. В настоящее время можно считать установленным, что режущий инструмент подвергается в зависимости от условий резания различным по природе видам износа – адгезионному, абразивному, диффузионному, химическому и др. В зависимости от условий резания инструмент может подвергаться одновременно действию различных видов износа или доминирующим может являться один вид износа. Однако предстоит еще много сделать для того, чтобы достаточно полно раскрыть физическую природу износа и сущность явлений, происходящих в контактных слоях инструмента и обрабатываемого материала.
Изучение механизма разрушения режущего инструмента, установление его закономерностей, создание инженерных методов расчета прочности режущей части инструмента являются актуальными вопросами. В области прочности тела и режущей части инструмента проведены исследования профессором Лопадзе Т.Н., к. т. н.Бетанели А. И. и другими. Важным этапом в исследованиях является создание профессором Третьяковым И. П. специальных испытательных машин для определения прочности режущей части инструмента в условиях, близких к эксплуатационным.
Дальнейшее развитие станкостроения шло по пути оптимизации методов проектирования и технологии производства на основе широкоразвитой специализации производства, агрегатирования, унификации и нормализации деталей и целых узлов, т. е. по пути прогрессивного развития технологии в широком смысле этого слова.
Директивы XIX съезда КПСС по 5-й пятилетке ( 1951- 1955 гг.) предопределили широкое внедрение массово –поточных производств в основных отраслях машиностроения. Поэтому возникла потребность промышленности в специальных и автоматических линиях. Одним из главных направлений советского станкостроения явилось повышение уровня механизации и автоматизации МРС, которое обеспечило снижение трудоемкости обработки, сокращение времени на ручные и вспомогательные операции. Также актуальна и проблема увеличение точности обработки, что вызвало значительное возрастание выпуска прецизионных станков. С 1962 г. СССР занимает первое место в мире по выпуску МРС, обеспечивая собственные потребности в них и экспортируя их во многие страны мира.
Таким образом, за короткий исторический период советское станкостроение стало крупной отраслью, одной из ведущих в народном хозяйстве страны. В свое время профессор Владзиевский назвал станкостроение “главным технологом” машиностроения, ведь именно МРС во многом определяет уровень социально –технического развития страны в целом. Не случайно промышленный потенциал той или иной страны наряду с такими показателями, как энергообеспеченность, определяется количеством и структурой парка металлорежущих станков.
Научные исследования в области резания металла за рассматриваемый период были расширены и углублены. Изучение деформаций, возникающих при резании, было продолжено в трудах профессора А.И. Каширина, И.С. Штейн Берга, Т.Н. Лоладзе и др. Изучение тепловых явлений при резании металлов было продолжено рядом советских ученых проф. М. Ф. Семко, д –рами техн. Наук И.М. Беспрозванным, А. М. Даниеляном, канд. техн. наук А.А. Аваковым, д- ром техн. наук, проф. Н.И. Резниковым идр.
Вопросы качества поверхностей, образованных резанием металлов, подвергались глубокому изучению в трудах докторов технических наук В. А. Кривоухова, А. И. Исаева, Б. И. Костецкого и других.
Теоретические основы учения о геометрии режущего инструмента были разработаны Н.А. Шевченко, Г.И. Грановским, С.С. Можаевым, А.В. Панкиным.
Теоретические и опытные исследования сил резания были продолжены рядом советских ученых с частичным применением теории упругости: д- рами технических наук М. В. Касьяном, В.А. Кривоуховым, А. М. Розенбергом, Н.Н.Зоревым и др.
Существенное влияние на научные обоснования науки о резании металлов оказали труды член- корреспондент АН СССР В.Д. Кузнецова ( Физика твердого тела).
Для установления скоростно –стойкостных зависимостей советскими исследователями профессорами И.М. Беспрозванным, С. С. Рудником, М. Н. Лариным, П. П. Грудовым, Б. И. Костецким был подвергнут детальному изучению износ режущих инструментов.
Если обратиться к основным технологическим операциям, то в изучении каждой из них советскими исследователями были достигнуты существенные научные и практические результаты. В области сверления известны опыты доктора технических наук С. С, Четверикова, кандидата технических наук Т. М. Кошеленко, М. Т. Галлея, Н. В. Жарликова и др. По глубокому сверлению имеются значительные достижения в трудах кандидатов технических наук Ф.Ф. Смирнова, И.С. Веремейчука и др. Теоретические основания геометрии сверл даны докторами технических наук профессорами С. С. Рудником и С. С. Можаевым.
В области фрезерования имеется большая советская школа специалистов, давших научные и практические исследования: д-ра техн. наук профессора А.М. Розенберг, Н.И. Резников, М.Н. Ларин, Я.Х. Костюков.
Вопросы шлифования были подвергнуты коренному пересмотру в трудах инж. Г.М. Ипполитова, д-ра техн. наук П.Е. Дьяченко, Е.Н. Маслова, Н.И. Волжского, канд. техн. наук И.М. Брозголя, С.М. Кедрова, Н.С. Нейермана, проф. Г.Б. Лурье и др.
Задача о выборе наивыгоднейших режимов резания была разрешена советскими исследователями аналитически. На базе аналитического решения даны конструкции приборов и диаграммы для практического решения этой задачи. За последние годы сконструированы электрорешающие приборы для назначения оптимальных режимов резания (канд. техн. наук Г.И. Темчин, д-р техн. наук А.В. Панкин). Ряд научных вопросов, связывающих технологию механической обработки с резанием металлов (вопросы жесткости, вибрации, точности), был разработан д-рами техн. наук А.П. Соколовским и А.И. Кашириным.
Таким образом, в трудах наших ученых были поставлены и частью разрешены все основные проблемы резания металлов. Работы иностранных авторов упоминаются в перечне литературы.
В последние годы в машиностроении началось освоение новых типов турбин, двигателей, химических аппаратов, атомных реакторов и другого оборудования, работающего при высоких температурах, в агрессивных средах и других специфических условиях. В связи с этим возникла необходимость обработки большого количества деталей из новых жаропрочных, нержавеющих, коррозионноустойчивых, немагнитных, тугоплавких и других специальных сталей и сплавов. Особенности новых материалов порождают ряд специфических условий при их обработке резанием. Например, некоторые материалы ядовиты ( бериллий, ванадий, уран), другие - огнеопасны и взрывоопасны ( цирконий, торий). В связи с этим возникают новые требования к выбору схемы обработки, режима резания, конструкции инструмента. В будущем новые материалы придется обрабатывать в условиях космоса, что вследствие исключительного высокого вакуума приведет к разрушению пленок на контактных поверхностях инструментов и его свариванию с деталью. Для решения подобных проблем требуется значительное расширение круга исследуемых вопросов. Из исследователей, работающих в этом направлении, следует отметить профессора Резникова Н.И., профессора Зорева Н.Н. и других.
В последние десятилетия проводилась исследования, охватывающие широкий круг металлообработки. Большое внимание уделялось исследованию процесса резания труднообрабатываемых материалов (жаропрочных, нержавеющих ит.п.), разработке вибрационного и ультразвукового резания, изучению вопросов резания при автоматизированной обработке деталей и обработке алмазным инструментом. Велись исследования по сверхскоростной обработке со скоростью резания в несколько десятков тысяч метров в минуту.
За этот период создан целый ряд высокопроизводительных режущих инструментов. В качестве инструментального материала более широко используются металлокерамические твердые сплавы, обладающие высокими режущими свойствами. Увеличилось удельное значение применения инструмента из синтетических алмазов.
Из зарубежных исследователей в области резания металлов успешно работают П. Бриджмен над вопросами больших пластических деформаций,Е. Мерчант и Д. Стамблер – над вопросами механики процесса резания, М. Шоу и Г. Опитц – над вопросами обрабатываемости металлов и износа режущего инструмента.
Большое внимание к углублению теоретических познаний, тесная связь с практикой являются той основой, которая позволит успешно решать новые задачи, возникающие в ходе развития науки о резании металлов и всего машиностроения.
Среди ученых, внесших огромный вклад в развитие отечественной науки и промышленности, можно назвать наиболее выдающихся, чьи труды составили фундамент сегодняшних успехов того машиностроения. Это И. М. Беспрозванный (“Физические основы учения о резании металлов”, 1941г.), В. А. Кривоухов (“Деформирования поверхностных слоев металла в процессе резания”, 1945 г.), Г.И. Грановский (“Кинематика резания”, 1948), Б.И. Костецкий (“Стойкость металлорежущих инструментов”, 1949 г.), А.М. Розенберг и А.П. Еремин (“Элементы теории процесса резания”, 1956 г.), Е.Г. Коновалов “Основы новых способов металлообработки”, 1961 г.), А.О. Этин (“Кинематический анализ методов обработки металлов резанием”, 1964 г.), П.Я. Родин (“Проектирование и производство режущих инструментов”, 1968 г.), Б.С. Балакшин (“Основы технологии машиностроения, 1969 г.), А.А. Маталин (“Точность механической обработки и проектирование технологических процессов”, 1970 г.) и многие другие.
Значительный вклад в науку о станках был сделан учеными высшей школы. Важные результаты в области теории кинематики станков были получены проф. Г.М. Головиным и проф. А.А. Федотенком; в области расчета и конструирования станков – проф. И.С. Ачерканом, проф. М.А. Савериным, проф. В.Э. Пушем, проф. А.П. Прониковым, проф. А.И. Решетовым, проф. В.А. Кудиновым; в области гидроприводов в станках – проф. Е.М. Хаймовичем, проф. Л.Б. Богдановичем; в области структуры и кинематики автоматов – акад. И.И. Артоболевским, проф. В.А. Юдиным, проф. Г.А. Шаумяном.
Ученые и научные работники Московского станкостроительного института, Московского высшего технического училища м. Баумана, Томского, Киевского, Харьковского, Уральского, Одесского политехнического институтов. Тульского механического, Новосибирского электротехнического и множества других вузов успешно работали и продолжают работать в области теории и практики станкостроения.
Технологическая наука создана, главным образом, трудами советских ученых Б.С. Балакшина, И.А. Бородачева, А.И. Каширина, А.И. Исаева, В.М. Ковача, В.С. Корсакова, А.П. Соколовского, А.А. Маталина, С.П. Митрофанова и др.
Но нельзя думать, что все проблемы уже решены. Жизнь выдвигает все новые и новые задачи, которые предстоит решить сегодняшним студентам и завтрашним инженерам механикам.
Основные задачи дисциплины
Механическая обработка металлов играет важнейшую роль в процессе изготовления деталей машин. Механическую обработку можно разделить на обработку без удаления части материала – обработку давлением и обработку со снятием припуска – обработку резанием. Методы пластической обработки в настоящее время еще не могут обеспечить получение требуемой точности и шероховатости поверхностей точных деталей, поэтому их место в машиностроении – изготовление заготовок. Развитие этих методов приводит к все большему приближению форм и размеров заготовок к формам готовой детали, то есть к уменьшению припусков, а следовательно, к сокращению объемов механической обработки. Тем не менее, трудоемкость обработки резанием зачастую составляет 50-60% от общего объема затрат на изготовление изделия (с учетом сборки).
В 60-е годы методы получения заготовок развивались настолько бурно, что дали основание проектам безлезвийной технологии: изготовление заготовок настолько точной формы, что для получения детали достаточно будет лишь отделочной обработки. При массовом производстве типовых изделий, например, подшипников качения, эти прогнозы в значительной степени реализованы. Однако большая номенклатура выпускаемой продукции не позволяет отказаться от резания при изготовлении других деталей машин.
Появление новых конструкционных материалов, обработка которых резанием затруднительна или невозможна, привела к применению и распространению новых методов обработки: электрических, химических, электроэрозионных и других. Однако эти методы не могут конкурировать с резанием при обработке деталей из традиционных материалов.
Увеличение нагруженности современных машин требует повышения точности их деталей, что приводит к увеличению затрат рабочего времени на обработку их резанием; усложнение формы увеличивает объем удаляемого материала.
Таким образом, обработка резанием является одним из важнейших процессов в машиностроении, обеспечивающим эффективность производства.
Резание является сложным физическим процессом, при котором в зоне резания в короткое время протекают многие физические процессы: упругие и пластические деформации, сопровождаемые трением, тепловыделением, вибрациям, вызывающим наростообразование, усадку стружки, наклеп обработанной поверхности и изнашивание инструмента.
Выявление физической сущности происходящих при резании процессов имеет большое практическое значение, т.к. оно дает возможность высокопроизводительной, экономичной и высококачественной обработки деталей машин.
Теория резания изучает:
Вместе с этой лекцией читают "25 Понятие о воспалении".
--кинематику процесса резания и геометрические параметры режущей части инструментов;
--физические явления, происходящие в процессе резания, т.е. деформации срезаемого слоя и обработанной поверхности, температуры и тепловые явления в зоне резания, а также другие явления, сопровождающие процесс, и зависимость этих явлений от различных условий резания;
--механику процесса резания, то есть силы, возникающие при резании, энергию, затрачиваемую на процесс резания, и зависимость их от различных факторов;
--износостойкость режущих материалов из различных инструментальных материалов в зависимости от условий резания.
Теория и практика резания материалов призваны решать проблемы, связанные с развитием машиностроения. К ним относятся обеспечение качества и надежности машин, повышение производительности обработки, внедрение труднообрабатываемых материалов и др.
Технология машиностроения неразрывно связана с теорией резания и базируется на ее положениях.
